DE202004015400U1

DE202004015400U1 - Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung

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Publication number: DE202004015400U1
Application number: DE200420015400
Authority: DE
Original assignee: Aceos GmbH
Current assignee: Aerolution GmbH
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2004-10-04
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2014-10-05

Abstract

Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung, dadurch gekennzeichnet,
– dass auf einem Bereich einer ersten Oberfläche eines plattenförmigen Trägers (1) aus einem elektrischen Isolator nacheinander Schichten eines Festkörperelektrolyten (2), Elektroden (3, 4) mit Anschlussbahnen und eine eine Elektrode bis auf deren Anschlussbahn abdeckende Diffusionsbarriere (5) und auf einem Bereich einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des plattenförmigen Trägers (1) eine Schicht aus einem elektrischen Leiter als wenigstens ein Heizungselement (6) angeordnet sind,
– dass der Festkörperelektrolyt (2) aus einem dotierten und ionenleitenden Zirkoniumoxid besteht, wobei die chemische Wechselwirkung zwischen der Gaskomponente als Sauerstoff und dem Festkörperelektrolyten (2) in Verbindung mit den Elektroden (3, 4) einen elektrischen Ladungstransport bewirkt,
– dass die Diffusionsbarriere (5) eine aufgedruckte Schicht aus einem Glas und/oder Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid ist und
– dass mindestens eine Leiterbahn (7) beabstandet zu einer Anschlussbahn des elektrischen Leiters als Heizungselement...

Description

Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung
Die Erfindung betrifft Sensoren sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung.
Festelektrolytsensoren nutzen die schon 1899 von W. NERNST entdeckte Eigenschaft bestimmter Ionenkristalle, bei erhöhter Temperatur den elektrischen Strom in Form von Ionen zu transportieren. Bekannt sind zwei Grundanordnungen als

– stromlose Messung des elektrischen Potentials zwischen einer Referenz- und einer Messelektrode in Form der Festelektrolyt-Potentiometrie und
– Messung des Ionenstromes einer bestimmten Ionenart durch den Elektrolyten bei Anlegen einer äußeren Spannung an die Elektroden als Amperometrie.

Potentiometrische (galvanische) Festelektrolytzellen, wie unter anderem auch aus der EP 0 861 419 B1 (Verfahren und Vorrichtung zur simultanen Messung eines Volumenstroms und von Gaspartialdrücken) bekannt, arbeiten bekannterweise nach der NERNST'schen Gleichung, wobei bei bekannter Temperatur und bekannten Potential an der Referenzelektrode die Zellspannung linear abhängig vom Logarithmus der Aktivität oder des Partialdrucks der zu messenden Komponente ist. Weiterhin ist der Festelektrolyt ein reiner Ionenleiter. Die absolute Größe der Zellspannung ist abhängig von der Differenz zwischen Mess- und Referenzpotential. Da mögliche Fehler mit steigender Differenz dieser Potentiale wachsen, sollte der Unterschied zwischen Mess- und Referenzgasdruck nicht zu groß sein. Der Ionenleitwiderstand der Festelektrolytzelle ist weiterhin temperaturabhängig. Rissige oder poröse Elektrolytschichten oder niedrige Elektrolyttemperaturen führen zu hohen Ionenleitwiderständen. Für exakte Potentialmessungen sind Messanordnungen mit hohen Eingangswiderständen notwendig.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, über einen Sensor sowohl die Sauerstoffmenge in einer Gasmenge als auch den Volumenstrom und/oder die Anströmung der Gasmenge einfach zu messen.

Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Sensoren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass diese sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung geeignet sind. Weiterhin sind diese sehr einfach aufgebaut, so dass diese sehr ökonomisch herstellbar sind.

Der Sensor besteht aus einem plattenförmigen Träger mit dünnen Schichten für eine Heizung, einen Festkörperelektrolyt, Elektroden und einer Diffusionsbarriere. Der Träger besteht aus bekannten Aluminiumoxid-, Glaskeramik- oder Zirkoniumoxid-Aluminiumoxyid-Werkstoffen. Die Sauerstoffmessung als eine Gasmessung erfordert hohe Betriebstemperaturen, um eine ausreichende Ionenleitfähigkeit der Festkörperelektrolyten zu gewährleisten. Daher sind die Sensoren mit einer Heizung ausgestattet, die eine Betriebstemperatur von ca. 600°C ermöglicht.

Die Sauerstoffmessung basiert auf einer amperometrischen Schaltung nach dem Prinzip der Diffusions-Grenzstromsonde. Mit Hilfe einer an zwei Elektroden angelegten Gleichspannung fließt durch den Festkörperelektrolyt als Funktionskeramik mit den transportierten Sauerstoffionen als Stromkreis ein elektrischer Strom. Hierbei wird an der Katode molekularer Sauerstoff in ionischen Sauerstoff umgewandelt, zur Anode durch die angelegte Spannung transportiert und dort wieder in molekularen Sauerstoff umgewandelt. Wenn der Festkörperelektrolyt ein reiner Ionenleiter ist, gelten die Faradayschen Gesetze. Das erste Faradaysche Gesetz wird in Form coulometrischer Messverfahren genutzt, wobei die Masse des elektrochemischen umgesetzten Stoffes proportional der geflossenen Strommenge ist.

Die elektrische Leitfähigkeit eines Festkörpers wird in erster Linie durch seine atomare Gitterstruktur bestimmt. Der Ladungstransport in einem keramischen Festkörperelektrolyt vollzieht sich vor allem über Defekte. Ursache dieser Defekte können thermische oder durch Verunreinigungen hervorgerufene Fehlordnungen der Gitterstruktur sowie makroskopische Gitterstörungen zum Beispiel als Versetzungen oder Korngrenzen sein. Der Ladungstransport kann durch Platzwechsel der atomaren Gitterfehlstellen (Ionentransport) oder über die Wanderung von Elektronen oder Defektelektronen zwischen den geladenen Gitterfehlstellen vor sich gehen.

Jede Keramik ist im Grunde ein Mischleiter. Ist die Dichte der Defekte gering, wie zum Beispiel in einem ungestörten Kristall, dann liegt ein Isolator vor. Ionisch leitende Keramiken entstehen durch Erhöhung der Anzahl ionischer Defektstellen durch das gezielte Einbringen von Verunreinigungen (Dotierungen). Einen Anstieg der Konzentration jeglicher Art von Defekten kann durch Temperaturerhöhung erzielt werden. Als Basismaterial für den Elektrolyt dient Zirkoniumdioxid. Dieses Material weist gute mechanische und thermische Eigenschaften auf. Reines Zirkoniumdioxid liegt bei Umgebungstemperatur in einer monoklinen Gitterstruktur vor. Ab ca. 1150 °C wandelt sich diese in eine tetragonale und ab 2370 °C in eine kubische Gitterstruktur um. Um diese Phasenumwandlungen, die auch mit Form- und Volumenänderungen verbunden sind, zu vermeiden und um die Anzahl von Sauerstoffionen leitenden Defektstellen zu erhöhen, wird reines Zirkoniumdioxid mit Diyttriumtrioxid dotiert. Durch einen Sintervorgang bei Temperaturen oberhalb von 1300 °C wird eine Stabilisierung der hochleitenden kubischen Phase erreicht, die danach auch bei Raumtemperaturen vorliegt. Die Ionenleitfähigkeit dieser Keramik ist bei Temperaturen oberhalb von 600 °C vergleichbar mit flüssigen Elektrolyten.

Festkörper-Gassensoren wandeln die chemische Wechselwirkung zwischen Gaskomponente und Sensormaterial (Ionenleitung) in ein elektrisches Signal.

Die Wechselwirkung zwischen Gaskomponente und Festkörper kann nur über den Austausch und Transport von Elektronen in ein elektrisches Signal gewandelt werden. Das setzt die Gegenwart von metallisch leitenden oder halbleitenden Oberflächenbezirken und Elektroden im Bereich der Gas-Festkörper-Wechselwirkung voraus, da der Festelektrolyt selbst keine oder nur eine vernachlässigbar geringe Elektronenleitung aufweist. Andererseits besitzen die als Elektronenleiter verwendeten Edelmetalle keine Transporteigenschaften für Sauerstoff oder für Ionen. Daher läuft bei der Gas-Festkörperreaktion hin zu einem elektrischen Ladungstransport eine Kette von physikalisch-chemischen Phänomenen an der Grenzfläche Gas/Elektrode/Festelektrolyt, auch als Drei-Phasen-Grenze bekannt, ab. Der Reaktion an der Festkörperoberfläche ist die An- und Abdiffusion der gasförmigen Komponenten im Gasraum vorgelagert. Der primäre Schritt der Wechselwirkung zwischen Festkörperoberfläche und Gaskomponente ist die Adsorption/Desorption.

Der Zufluss an Sauerstoff hin zur Katode ist durch eine Diffusionsbarriere begrenzt, wobei aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Diffusion der messbare Sensorstrom im Bereich von 0–100% Sauerstoff linear abhängig von der Sauerstoffkonzentration ist. Mit der linearen Kennlinie entfällt die bei potentiometrischen Sensoren übliche Zweipunktkalibrierung und somit wird die Verwendung von Referenzgas (Referenzkammer) zur Kalibrierung des Sensors überflüssig. Eine einfache Ein-Punkt-Kalibrierung zum Beispiel mit Umgebungsluft genügt, da der zweite Punkt der linearen Kennlinie immer bekannt ist. Bei keinem Sauerstoff fließt kein elektrischer Strom.

Die Materialien der Elektroden erfüllen zwei Funktionen. Einerseits sind diese die elektrischen Leiter für die Schließung des Messkreises und andererseits beeinflussen sie in Kombination mit dem Festkörperelektrolyten den Gasaustausch mit der Umgebung. Die gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhte Betriebstemperatur der Sensoren ermöglicht die simultane Messung von Volumenströmen oder Anströmgeschwindigkeiten nach dem Prinzip der temperaturkonstanten Dünnfilmaneometrie. Durch Konstanthaltung der Sensortemperatur kann der Volumenstrom anhand der benötigten Heizleistung zur Gewährleistung dieser Temperaturen ermittelt werden. So wird als Folge einer Anströmung der Sensor abgekühlt und es ist eine größere Heizleistung für eine konstante Temperatur notwendig. Der Volumenstrom ist dabei von der Differenz zwischen der Heizleistung im angeströmten Zustand und der Heizleistung im nicht angeströmten Zustand abhängig.

Ein weiterer Vorteil des Sensors besteht darin, dass mindestens eine Leiterbahn beabstandet zu einer Anschlussbahn des elektrischen Leiters mit diesem kontaktiert und/oder mit der Verbindungsbahn zweier elektrischen Leiter verbunden ist. Dadurch können Spannungsabfälle über den elektrischen Leiter als Heizung bereichsweise gemessen werden. Dadurch kann eine gasunabhängige Strömungsrichtungsdetektion erfolgen. Genutzt wird dabei die unterschiedliche Temperaturverteilung oder die Verschiebung des Temperaturfeldes auf dem Sensor. Die bei Anströmung des Sensors für den Wärmeaustrag vorherrschende erzwungene Konvektion wird die strömungszugewandte Seite mehr abkühlen, als die im Strömungsschatten liegende Seite des Sensors. Durch eine Temperaturüberwachung beider Sensorseiten kann die Anströmrichtung bestimmt werden. Mit Hilfe dieses räumlichen Temperaturgradienten kann neben der Richtung der Strömung auch der Betrag der Strömungsgeschwindigkeit oder der Volumenstrom ermittelt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Günstige und vorteilhafte Materialien und Schichtdicken auf dem plattenförmigen Träger sind in den Weiterbildungen der Schutzansprüche 2 bis 4 und 7 aufgeführt.

Die Elektroden besitzen vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 5 eine kammartige und/oder mäanderförmige Struktur.

Die Materialien der Elektroden erfüllen zwei Funktionen. Einerseits sind diese die elektrischen Leiter für die Schließung des Messkreises und andererseits beeinflussen sie in Kombination mit dem Festkörperelektrolyten den Gasaustausch mit der Umgebung. Dazu müssen diese sowohl eine große elektrische Leitfähigkeit als auch eine große Gasadsorption oder Gasdurchlässigkeit besitzen. Vorteilhafterweise kommen nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 6 Elektroden aus Platin zum Einsatz. Diese sind auch bei der für die Ionenleitung im Festkörperelektrolyt notwendigen Sensortemperatur (um 600 °C) chemisch stabil.

Die Schichten als Festkörperelektrolyt, Elektroden mit Anschlussbahnen, Diffusionsbarriere und Heizungselement mit Anschlussbahnen sind vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 8 mittels der bekannten Siebdrucktechnik aufgebracht. Dabei wird die Schicht durch eine Schablone, die auf einer siebartigen Bespannung oder Bestandteil der siebartigen Bespannung eines Druckrahmens ist, durch Rakel auf den plattenförmigen Träger gedrückt. Mit diesem Verfahren können bestimmte Schichtdicken ökonomisch günstig aufgedruckt werden.

Mit einer Beschaltung des Sensors nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 9 kann mit einem Sensor sowohl der Sauerstoff als auch das Volumen- oder die Anströmung eines Gases gemessen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jeweils prinzipiell in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

1 einen Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung in einer Schnittdarstellung,

2 einen Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung in einer Explosivdarstellung und

3 eine Messschaltung mit einem Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung.

Ein Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung besteht im wesentlichen aus einem plattenförmigen Träger 1 mit einem Sensor- und einem Heizungselement 6, die jeweils auf sich gegenüberliegenden Oberflächen des plattenförmigen Trägers 1 angeordnet sind.

Die 1 zeigt prinzipiell einen Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung in einer Schnittdarstellung.
Der plattenförmige Träger 1 ist ein elektrischer Isolator aus Aluminiumoxid.
Das Sensorelement besteht aus nacheinander aufgebrachten Schichten eines Festkörperelektrolyten 2, von Elektroden 3, 4 mit Anschlussbahnen und einer eine Elektrode 3 bis auf deren Anschlussbahn abdeckenden Schicht als Diffusionsbarriere 5. Als Festkörperelektrolyt 2 ist ein mit Diyttriumtrioxid dotiertes und ionenleitendes Zirkoniumoxid mit einer Schichtdicke größer/gleich 1 μm und kleiner/gleich 500 μm aufgebracht. Dieser bewirkt die chemische Wechselwirkung zwischen der Gaskomponente als Sauerstoff und dem Festkörperelektrolyten 2 in Verbindung mit den Elektroden 3, 4 und einen elektrischen Ladungstransport. Die Elektroden 3, 4 einschließlich deren Anschlussbahnen bestehen aus Platin und sind als kammartige Strukturen aufgebracht, wobei die Zähne der kammartigen Strukturen jeweils abwechselnd beabstandet parallel zueinander angeordnet sind (Darstellung in der 2). Die Schicht als Diffusionsbarriere 5 aus Glas und/oder Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid überdeckt eine die Katode darstellende Elektrode 3 bis auf die Anschlussbahn vollständig.
Auf einem Bereich einer der ersten Oberfläche mit dem Sensorelement gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des plattenförmigen Trägers 1 ist eine Schicht aus einem elektrischen Leiter aus Platin als wenigstens ein Heizungselement 6 angeordnet. Eine Leiterbahn 7 ist beabstandet zu den Anschlussbahnen mit dem Heizungselement 6 verbunden (Darstellung in der 2).
Die Bestandteile des Sensors werden nacheinander als Schicht auf dem plattenförmigen Träger 1 mittels Siebdruck aufgebracht.
Zur Sauerstoffmessung sind die mit der Diffusionsbarriere 5 abgedeckte Elektrode 3 mit der Katode einer ersten elektrischen Energiequelle 8 und die andere Elektrode 4 über ein Amperemeter mit der Anode der ersten elektrischen Energiequelle 8 und die Anschlüsse des elektrischen Heizungselementes 6 mit einer zweiten elektrischen Energiequelle 9 zusammengeschaltet. Zur gleichzeitig möglichen Volumen- oder Anströmmessung sind ein Anschluss des elektrischen Heizungselementes 6 und die Leiterbahn 7 mit einem ersten Voltmeter und der andere Anschluss des elektrischen Heizungselementes 6 und die Leiterbahn 7 mit einem zweiten Voltmeter verbunden. Über die Voltmeter wird dadurch der Spannungsabfall der Bereiche des elektrischen Heizungselementes 6 gemessen. Die 3 zeigt eine Messschaltung mit einem Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung.

Claims

Sensor sowohl zur Sauerstoffmessung als auch zur Volumenstrom- und/oder Anströmmessung, dadurch gekennzeichnet, – dass auf einem Bereich einer ersten Oberfläche eines plattenförmigen Trägers (1) aus einem elektrischen Isolator nacheinander Schichten eines Festkörperelektrolyten (2), Elektroden (3, 4) mit Anschlussbahnen und eine eine Elektrode bis auf deren Anschlussbahn abdeckende Diffusionsbarriere (5) und auf einem Bereich einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des plattenförmigen Trägers (1) eine Schicht aus einem elektrischen Leiter als wenigstens ein Heizungselement (6) angeordnet sind, – dass der Festkörperelektrolyt (2) aus einem dotierten und ionenleitenden Zirkoniumoxid besteht, wobei die chemische Wechselwirkung zwischen der Gaskomponente als Sauerstoff und dem Festkörperelektrolyten (2) in Verbindung mit den Elektroden (3, 4) einen elektrischen Ladungstransport bewirkt, – dass die Diffusionsbarriere (5) eine aufgedruckte Schicht aus einem Glas und/oder Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid ist und – dass mindestens eine Leiterbahn (7) beabstandet zu einer Anschlussbahn des elektrischen Leiters als Heizungselement (6) mit diesem kontaktiert und/oder mit der Verbindungsbahn zweier elektrischen Leiter als Heizungselemente (6) verbunden ist.
Sensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperelektrolyt (2) eine Schicht aus einem mit Diyttriumtrioxid dotierten Zirkoniumoxid ist.
Sensor nach den Schutzansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des dotierten Zirkoniumoxides größer/gleich 1 μm und kleiner/gleich 500 μm als Festkörperelektrolyt (2) beträgt.
Sensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der plattenförmige Träger (1) aus Aluminiumoxid und/oder Glaskeramik und/oder Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid besteht.
Sensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 4) kammartige und/oder mäanderförmige Strukturen sind.
Sensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (3, 4) im wesentlichen aus Platin bestehen.
Sensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter als Heizelement (6) im wesentlichen aus Platin bestehen.
Sensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils nacheinander siebgedruckte Schichten des Festkörperelektrolyten (2), der Elektroden (3, 4) mit Anschlussbahnen und der eine Elektrode bis auf deren Anschlussbahn abdeckende Diffusionsbarriere (5) auf einer Oberfläche des Trägers (1) und dass das eine siebgedruckte Schicht des elektrischen Leiters als wenigstens ein Heizungselement (6) mit deren Anschlussbahnen und der wenigstens einen Leiterbahn (7) auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Trägers (1) sind.
Sensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass zur Sauerstoffmessung die mit der Diffusionsbarriere (5) abgedeckte Elektrode (3) mit der Katode einer ersten elektrischen Energiequelle (8) und die andere Elektrode (4) über ein Amperemeter mit der Anode der ersten elektrischen Energiequelle (8) und die Anschlüsse des elektrischen Heizungselementes (6) mit einer zweiten elektrischen Energiequelle (9) zusammengeschaltet sind und – dass zur Volumen- oder Anströmmessung mindestens eine Anschlussbahn als Anschluss des elektrischen Heizungselementes (6) und die Leiterbahn (7) mit einem ersten Voltmeter und die andere Anschlussbahn als Anschluss des elektrischen Heizungselementes (6) und die Leiterbahn (7) mit einem zweiten Voltmeter verbunden sind.